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空腹式钢引桥受力性能土木工程分析研究

时间:2018-03-04 20:16来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
摘要:本文是土木工程论文,土木工程是指除房屋建筑以外,为新建、改建或扩建各类工程的建筑物、构筑物和相关配套设施等所进行的勘察、规划、设计、施工、安装和维护等。
本文是土木工程论文,土木工程是指除房屋建筑以外,为新建、改建或扩建各类工程的建筑物、构筑物和相关配套设施等所进行的勘察、规划、设计、施工、安装和维护等各项技术工作及其完成的工程实体。(以上内容来自百度百科)。
 
第一章 绪论
 
1.1 选题的背景及意义
随着我国现代化建设不断向前推进,以及人口的快速增长,带来交通流量的日益增长,需要建设更多的道路和桥梁来满足日益增长的交通流量。同时,向现代化推进的进程中,人们的审美观念发生了显著的变化。渐渐地,钢桁架拱桥步入人们的视野,由于其良好的受力性能和较低的造价,能极大地满足人们的价值观和审美观,从而备受青睐。在桥梁建设中,随着钢引桥跨度的加大,板梁桥及组合梁桥等类型的桥梁用钢量和建设所需高度将迅速增加,通常当桥梁的跨度超过40m以上时,一般采用桁架桥。从力学观点上看,桁架构件主要承受轴向力,截面上的应力分布均匀,可以同时达到容许值,材料能得到充分利用,因而与梁及刚架相比,桁架用料更加经济,受力均衡,并且有更大的跨越能力[1]。在钢拱桥建造方面,我国已经取得历史性的突破和成就,以重庆的朝天门长江大桥为例,这样的桥型(采用桁架拱,柔性吊杆)适合大跨径公路桥梁,对于小跨径的钢引桥,此类桥型不能展现出它原有的优势。同时,国内外均对钢引桥有所研究,但是对影响钢引桥极限承载力和稳定性的因素、以及这些因素对极限承载力和稳定性的影响规律尚未进行系统的研究,由此钢引桥受力性能分析研究成为了一个研究课题。为今后钢引桥在小跨度范围内,选取合理的结构形式,提供理论参考依据。
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1.2 钢拱桥发展历史与现状
与桥梁的发展紧密相关的是建筑材料,钢拱桥的前身为铁拱桥。随着 18 世纪欧洲工业革命的兴起,铁被大量用于桥梁建设中,第一座铸铁拱桥(Iron 桥,1779年,跨度 30.5m)出现[2]。随着锻铁的出现,在 19 世纪初期,锻铁桥应运而生。锻铁与铸铁相比,不仅延性比更好,且抗拉强度更高,能有效提高桥梁的跨径,那时,锻铁桥的结构形式多数为桁架拱形式。代表作为法国的 Garabit 拱桥(1884 年,165m)。在 Sienmens 和 Martins 转炉获得专利后,钢取代锻铁[3]。第一座钢拱桥在美国(Eads 桥[4],1874 年)诞生。该桥的成功修建为此后该类桥梁的建设提供宝贵经验。钢拱桥中比较有名的有:美国纽约狱门(Hell Gale)桥(1916 年,298m),澳大利亚悉尼港(Sydney Horbor)桥(1932 年,503m),美国培虹(Bayonne)桥(504m)和新河谷(New River Gorge)桥(518.3m)。此后,钢拱桥发展迅速,跨度超过500m,表 1.2 列举出了国外的部分钢拱桥的简要情况[5]-[7]。我国钢桥的建设最早出现在 19 世纪后期,不过跨度小,建桥的钢材全靠进口,采用铆接连接,制造、施工工艺相对简陋。建国后,钢桥的发展迅猛,先后研发出螺栓、焊接连接,结束了我国钢桥近百年使用铆接连接的历史。后来研发出两种高强度新钢材:15MnVnq 钢和 14MnNbq 钢,用它们分别建造了九江长江大桥和芜湖长江大桥[8]-[10]。鉴于钢管混凝土拱桥具备承载能力高、施工方便、经济效率好等特点,被大量运用在桥梁建设中。钢桁架拱桥发展相对较晚,不过在近几年发展迅速,如主跨突破 550m 的朝天门大桥。列举国内部分钢拱桥[11],见表 1.3。
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第二章 拱桥稳定理论和极限载力分析理论
 
2.1 稳定问题概述
强度问题属于应力问题,它旨在找出结构或单个构件的在稳定平衡状态的基础上,由荷载所产生截面的最大应力。对结构进行强度计算,目的是防止截面的最大应力超过结构材料的极限强度,并赋予其一定的安全储备。在对大部分结构进行强度分析时,常常忽略变形对外力效应的影响,对未变形的结构进行分析,即能获得满足精度要求的结果,变形与荷载呈线性关系,所以它属于一阶分析,故叠加原理普遍适用。不同于强度问题,稳定问题属于变形问题,它旨在找出结构内部抵抗力与外荷载之间的不稳定平衡状态,即结构的变形开始出现急剧增长的状态。对结构进行稳定计算,目的是防止结构发生不稳定平衡状态,它必需把变形后的结构体系作为计算依据,并且还须考虑变形对外力效应的影响,变形与荷载呈非线性关系,所以它属于二阶分析,故不能应用叠加原理。极值点和分枝点均为临界点。位于临界点前的平衡状态,称为前屈曲平衡状态。位于临界点以后的平衡状态,称为后屈曲平衡状态。需要特别说明的是,仅有理想结构才会出现分枝点失稳。在现实工程中,鉴于结构存在制造误差、焊接缺陷等初始缺陷,因此结构并非为理想的,那么它的失稳形式表现为极值点失稳。通常按线性小挠度理论求解分枝点失稳,计算简便。然而,极值点失稳具有强烈的非线性,计算困难。随着电子计算机的广泛应用,才使极值点失稳的分析工作得以顺利开展。
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2.2 两类稳定问题的有限元分析
基于高速电子数字计算机的普遍使用,以及数值在工程中的作用日益明显的前提下,有限单元法也获得了快速的发展,它是一种有效和新颖的数值计算方法。鉴于其具有概念浅析、易于编程、适用性强等特点,已经被公认为有效的结构分析方法,因而受到普遍地重视。特别地,针对日益复杂、庞大的工程结构,各种非线性因素不能忽略时,有限单元法已成为用于结构进行分析和研究的首选方法。如前所述,几乎所有的工程中的稳定问题都属于极值点失稳问题。从有限元计算的角度看,分析结构极值点失稳的实质就是求解计入几何非线性和材料非线性的结构平衡方程,寻找其极限荷载的过程。由于当桥梁承受的外荷载不断增大,接近结构的极限承载力时,结构刚度矩阵将趋于奇异,表现在荷载~位移( p  Δ)曲线上,则为极小的荷载增量会引起很大的结构位移。所以我们求解结构极限承载力的方法通常是进行加载全过程分析,绘出荷载~位移曲线,拾取曲线最高点所对应的荷载值为结构的极限承载力。
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第三章 60m 跨径钢引桥成桥状态下稳定性分析..........30
3.1 工程概况 ...... 30
3.2 全桥有限元模型建立 ........ 31
3.3 荷载计算与加载工况介绍 ........... 34
3.3.1 荷载计算 ...... 34
3.3.2 加载工况介绍 ......... 35
3.4 钢引桥静力计算及其结果分析 .............. 35
3.4.1 钢引桥刚度分析 ..... 36
3.4.2 钢引桥强度分析 ..... 37
3.5 钢引桥成桥状态下的弹性静力分析与极限承载力分析 ....... 43
3.5.1 钢引桥成桥状态下的线弹性稳定分析 ............. 43
3.5.2 风载对钢引桥极限承载力的影响 .......... 46
3.6 两种钢引桥静力特性分析 ........... 51
3.7 本章小结 ...... 63
第四章 影响钢引桥稳定性的参数分析 ..............65
4.1 平联系形式对钢引桥稳定性的影响 ...... 65
4.2 钢材设计参数对钢引桥受力性能影响 ............. 68
4.3 拱肋内倾角的影响对钢引桥稳定性的影响 ..... 72
4.4 拱肋截面形式改变对钢引桥稳定性的影响 ..... 74
4.4.1 对钢引桥稳定性的影响 .... 74
4.4.2 对钢引桥极限承载力的影响 ....... 76
4.5 钢箱加肋对钢引桥的影响 ........... 77
4.6 活荷载布置对钢引桥极限承载力的影响 ......... 80
4.7 本章小结 ...... 82
第五章 结论与展望............84
5.1 结 论 ............ 84
5.2 建议与展望 ............. 85
 
第四章 影响钢引桥稳定性的参数分析
 
4.1 平联系形式对钢引桥稳定性的影响
在钢引桥中,主桁架由上、下弦杆和竖腹杆组成,它主要提供钢引桥结构的面内刚度,对面外刚度的奉献非常小。随着钢引桥跨度的增加,拱肋的压力变得越大,结构越容易发生失稳破坏。当拱肋的侧向刚度小于平面内刚度并且结构承受的荷载达到一定的临界值时,拱肋很可能会发生侧倾失稳。为了避免发生侧向失稳,通常在钢引桥两拱肋间设置横向断面联接系与纵向平面联接系,使两片主桁架成为空间整体结构,以保证拱肋的静力稳定性和共同受力。兼顾结构性能与景观效果,设计师们通常选用稀疏横联布置方案。本节将从稳定的角度出发,通过调整上平联杆件形式来研究横联对钢引桥成桥状态稳定性的影响,旨在为今后此类桥梁的设计提供有利的参考依据。钢引桥上平联系共有 6 节段,本节将采用以下四个不同的上平联杆件布置方案出发,来探讨分析不同联结系对钢引桥稳定性的影响。具体上平联布置方案如下:方案一: 由拱顶向两侧数第一节段不设置上平联,具体布置形式如图4-1所示;方案二: 由拱顶向两侧数第二节段不设置上平联,具体布置形式如图4-2所示;方案三: 由拱顶向两侧数第三节段不设置上平联,具体布置形式如图4-3所示;方案四: 拱顶两侧均设置上平联,具体布置形式如图 4-4 所示。
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结 论
 
本文首先通过介绍拱桥的发展历史及现状,然后引出作为钢拱桥的另一种基本桥型:钢引桥,并对钢引桥的发展及研究现状进行介绍,阐述拱桥的稳定理论和拱桥稳定分析的有限元方法,重点阐述了极限承载力分析的非线性有限元分析方法。在理论分析的基础上,借助大型通用有限元软件 Midas/Civil2015,以湖北省荆门市石化总厂原油码头 60 米跨钢引桥为依托背景,对钢引桥成桥状态下的静力分析、弹性稳定分析、风荷载对极限承载力影响进行分析,以及影响钢引桥稳定性的参数分析,并得出以下结论:
(1)通过对钢引桥全桥进行静力分析。分析结果表明,在结构最不利荷载组合下,钢引桥钢材的应力均远远低于钢材设计值,并且钢引桥主桁架的最大挠度值小于相关规范给定的容许挠度值。所以钢引桥结构达到港口工程钢结构设计规范的安全要求,并且还具有一定的安全储备。
(2)通过设置不同荷载组合工况,对全桥的线弹性稳定进行分析,观察结构屈曲模态发展,此钢引桥最先发生的失稳为拱肋局部失稳,稳定系数较大,最小为 19.75,但远远大于规范规定的稳定系数值,有一定的安全储备,拱肋侧倾失稳的稳定系数最大,达到 32.48,通过分析荷载工况组合和稳定系数变化曲线发现,桥面人群活载对钢引桥的稳定性影响相对较大。
(3)通过设置不同风速,使风速从0m  /s 增加到60m  /s(间隔10m  /s )变化,分析了钢引桥在不同风速下的两类稳定问题,发现静力风压对钢引桥稳定性的影响不能忽略;随着风速的加大,钢引桥的稳定系数呈现非线性的下降趋势,并且钢引桥的极限承载力也下降非常明显,特别是当风速超过20m  /s时,钢引桥的极限承载力从826.19k N /m下降到515.8k N /m,大约下降了 38%。
(4)以控制最大竖向挠度相同为前提,在相同荷载工况作用下,通过对两种不同结构形式的码头钢引桥的受力性能和经济性进行比较发现,实腹式钢引桥受力性能较好,但是其耗钢量达到 75.16 吨,而空腹式钢引桥耗钢量为 63.63 吨。在最大挠度控制值与荷载组合一致的条件下,实腹式钢引桥整体受力性能更好、并且施工方便,但是其耗钢量比空腹式钢引桥大,经济性稍差(造价偏高);因斜腹杆存在,故外形没有空腹式钢引桥美观。但是,空腹式钢引桥建造精度要求高,并且对焊接要求较高,因而施工难度相对较大。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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